[发明专利]基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器，通过安装在基座表面上的六个微型单轴加速度敏感元件/传感器结合数据采集与处理电路实现基座运动的六维加速度的传感，属于惯性技术和传感器技术领域。本发明名称“基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器”前面的定语中的敏感元件和传感器为两个对等的概念。

背景技术

机器人和空间机构的运动情况可以通过对其六维加速度(包括三维角加速度和三维线加速度)的传感得到。由于传统的加速度传感器只能实现三维线加速度或单轴角加速度的传感，能够同时实现三维角加速度和三维线加速度传感的六维加速度传感器的研究便成了惯性技术和传感器技术领域研究的一个热点问题。

目前，利用获取单一惯性质量相对壳体的位移或弹性单元的应变实现六维加速度的传感原理人们研究了多种基于电容式、压阻式和光电式原理的六维加速度传感器。如Canavan等人(IEEE Transactions on Magnetics，Vol.27，No.2，3253-3256，1992)设计了一种通过获取悬浮在通有持续电流的一组超导线圈上的超导质量块的位移实现六维加速度传感的六维加速度传感器；Amarasinghe等人(Sensors and Actuators A：Physical，Vol.134，No.2，310-320，2007)提出了一种通过获取支撑惯性质量的悬臂梁的应变实现六维加速度传感的六维加速度传感器；Chapsky等人(Sensors and Actuators A：Physical，Vol.135，No.2，558-569，2007)研究了一种采用6个光学位移传感器获取由24个弹簧支撑的立方体惯性质量的位移实现六维加速度传感的六维加速度传感器。上述六维加速度传感器均存在结构复杂和制作工艺要求高等缺点。

此外，还可以通过将多个单轴加速度敏感单元按照特定的布局结构固定在一起实现六维加速度传感。如发明人本人发明的发明专利《一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局方法》(专利号：ZL 200610095028.3)给出了一种基于六个单轴加速度敏感单元的六维加速度传感器的敏感单元布局方法。发明人本人发明的发明专利《基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法》(专利号：ZL 200810237023.9)给出了一种基于九个单轴加速度敏感单元的六维加速度传感器的敏感单元布局方法。上述两种方法均能够有效获取六维加速度，具有结构简单、成本低和易于实现等优点，但由于其结构决定了利用该布局方法加工的六维加速度传感器的敏感单元尺寸相对较大，难以利用现有的基于MEMS工艺的微型单轴加速度敏感元件/传感器实现六维加速度传感器的微型化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑、体积小、集成度高的基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器。

本发明的技术方案如下：

本发明中所述基于微型单轴加速度敏感元件/传感器的六维加速度传感器包括基座、特性一致的三块分别安装两个微型单轴加速度敏感元件/传感器的传感器电路板、数据采集与处理电路板和与基座相连的盖板。特性一致的三块传感器电路板上各安装有两个微型单轴加速度敏感元件/传感器及其外围电路，并保证两个微型单轴加速度敏感元件/传感器关于传感器电路板表面中线对称且敏感轴线相互垂直，各自敏感质心到垂足的距离均为l(六维加速度传感器的尺度参数)；三块传感器电路板分别固定在基座的三个相互垂直的表面上，通过定位孔或与安装平面垂直的面定位，保证在不同传感器电路板上且相邻两微型单轴加速度敏感单元/传感器的敏感轴线相互垂直且共面，同时各自敏感质心到垂足的距离均为l；基座通过在一块矩形实体上加工出的三个相互垂直的表面作为传感器电路板的安装基面；基座可以是内陷式或外凸式基座，加工基座的实体可以是其它轴对称形状；数据采集与处理电路板直接固定在壳体上，并通过线缆与三块传感器电路板相连。当壳体与被测物体一起运动时，六个微型单轴加速度敏感元件/传感器将感受到的运动转换为六通道电信号输出，数据采集与处理电路板对六个微型单轴加速度敏感元件/传感器的输出进行放大、滤波，并转换为数字信号读入到数据处理芯片中进行解算，得到的六维加速度通过DA输出模块转换成模拟信号输出或者通过USB/蓝牙/RS232等接口输出给外部数字设备。

本发明具有下述优点：